在我们的日常生活中,钟表是司空见惯的东西,但是,不知你想过没有,钟表所指示的时间到底意味着什么呢?或者,当人们说“现在是晚上7点”时,到底想表达什么呢?
你可能会说,在那个时候,钟表的时针正好指着“7”这个数字。那么,我再问你,这个数字“7”又表示什么意思呢?你可能说,这表示正午过后,又过去了一个昼夜的示正午过后,又过去了一个昼夜的
。但是,这一昼夜是怎样的一昼夜?一昼夜到底是什么意思?
事实上,我们经常看到“过去了一个昼夜”的表述,在这个描述中,“一个昼夜”指的是地球绕地轴自转一周所花的时间。那么,该如何测量呢?我们可以找到观察者正上方天空中的一点(也就是天顶)和地平线正南方的一点,并把这两个点连起来作为准线,然后,测量太阳的中心两次经过这条准线的时间间隔,这段时间就是一个昼夜。当然,由于其他因素的影响,这个时间间隔可能并不固定,但是差别并不大。所以,我们没有必要严格要求时钟、手表等跟太阳的运行完全对应,何况对于人们来说,这是根本不可能的事情。一个多世纪以前,巴黎的钟表匠们就曾经昭示人们:“关于时间,我们一定不要相信太阳,它是个骗子。”
这就出现了一个问题:如果我们真的不相信太阳,那应该用什么标准来校正我们的钟表呢?实际上,这里说的“太阳是个骗子”只是一种夸张的说法,是告诉我们不要将实际的太阳作为参考,而要利用太阳模型来作为校正标准。对于这个模型来说,它不能发光,也不会发热,我们只是以它为标准来计算时间。而且,我们假设它的运行速度是恒定不变的,但在绕地球运行一周的时间上,与真实的太阳是一样的。在天文学中,一般把这个模型称为“平均太阳”。当“平均太阳”经过准线时,我们把那个时刻称为“平均中午”,把两个“平均中午”之间的时间间隔称为“平均太阳日”。同样的道理,利用这个模型推算出的时间,我们都称为“平均太阳时间”。可以看出,“平均太阳时间”跟真正意义上的太阳时间是不一样的,但可以拿来作为校正钟表的标准。如果你想知道某个地方真正的太阳时间,有一个办法,就是用日晷测定。跟钟表不同的是,日晷利用针影作为指针。
可能有人会因此认为,经过准线的太阳时间间隔肯定会有差异,这是因为,地球绕轴自转的时候,速度是变化的,但这种说法是错误的。实际上,这个差异跟地球的自转没有任何关系,而是由地球绕太阳公转的速度不均匀引起的。如图所示,这里标记出了地球在公转轨道上连续运行时的两个点,在地球的右下方,有一个箭头,它表示地球自转的方向,如果从北极点上看,地球的自转方向为逆时针。对于左边地球上的点A来说,这时候正好面对太阳,说明时间是正午12时。我们知道,地球在自转的同时仍然围绕太阳公转,那么,当它自转完一周时,它在公转轨道上的位置应该到达轨道中偏右的某个点上,也就是图中右边的地球表示的那样。可以看出,这时,点A处的地球半径的方向没有变化,而且,由于在公转轨道上位置发生了变化,点A不再正对着太阳,而是偏向了左边。换句话说,对于点A,这时不是正午,过几分钟,等太阳越过点A处的地球半径,点A那个地方才到正午。
图太阳日比恒星日长。
从图可以看出,实际上,一个真正太阳日的时间比地球自转一周的时间要稍微长一些。我们假设地球的公转是匀速的,并且,公转轨道是以太阳为圆心的一个圆,那么,“真正的太阳日”跟地球自转一周的时间差就是固定的,我们可以很容易就计算出来。而且,这个固定不变的、细微的时间差乘以一年的天数(365),就正好是一个昼夜。换句话说,地球围绕太阳公转一年所需要的时间,比其围绕地轴自转一年的时间正好多一天,而一天刚好是地球自转一周的时间。这样,我们就可以计算出,地球自转一周所花的时间为:
实际上,这里计算出的一个昼夜时间,也正好是地球以任何其他恒星为基准自转一周所花的时间,所以,我们还通常把这样的一昼夜称为一个“恒星日”。
可以看出,跟一个太阳日相比,一个恒星日要短3分56秒,通常把这个数值四舍五入,也就是4分钟。这里,我们需要注意,由于其他一些因素的影响,这个时间差也并不是永远不变的,比如说:(1)地球围绕太阳公转时,并不是匀速的,而且,公转的轨道是椭圆形的,并非正圆形。所以,在距离太阳近的地方,它的速度快一些;在距离太阳远的地方,速度慢一些。(2)地球自转的轴跟公转轨道平面并不是完全垂直的,而是有一个夹角。所以,真正的太阳时间跟平均太阳时间也不一样,在一年之中,只在4月15日、6月14日、9月1日和12月24日这4天,这两个时间才是相等的。
我们还可以得出,在2月11日和11月2日这两天中,两个时间的差异最大,大概是15分钟。如图所示,图中的曲线表示一年之中每天的真正太阳时间跟平均太阳时间的差异。
在天文学上,通常把这个图称为时间方程图,主要用它表示平均太阳中午和真正太阳中午之间的时间差。比如在4月1日这一天,在准确的钟表上,真正的中午应该是12点5分,换句话说,图中的曲线只是表示了真正太阳中午的平均时间。
图时间方程图。图中的曲线表示真正太阳日的中午在平均太阳时间是几点几分,如4月1日的真正中午在准确的钟表上应指到12点5分。
大家一定听说过“伦敦时间”“北京时间”的表述,之所以会有这样的表述,是因为随着地球经度的不同,在各经度上的平均太阳时间也不一样。具体地说,在每个城市,都有它的“地方时间”。经过火车站的时候,我们也会注意到“城市时间”和“火车站的时间”不同,这是因为“城市时间”是这个城市钟表所显示的时间,它的标准是当地的平均太阳时间;而全国“火车站的时间”是统一的,一般以该国首都或某个重要城市的时间来确定,因为火车都要根据这个时间出发或者到达。比如说,俄国的火车站所使用的时间表以圣彼得堡的平均太阳时间为依据。
由于不同经度时间不同,我们通常把地球平均划分为24个相等的时区,在同一个时区中,各地均采用这个时区的时间,也就是这个地区中间经线所对应的的平均太阳时间。所以,地球上只有24个互不相同的时间,并不是说,每个地方都以自己的地方时间为基准。
前面,我们一共讨论了三种计时类型,即真正太阳时间、当地的平均太阳时间和时区时间。除了这几种外,天文学家还经常采用另一种时间类型——恒星时间。它是通过恒星日计算出来的一种时间。就像我们在前面讨论的那样,跟平均太阳时间相比,恒星时间也大概短4分钟,并且,在每年的3月22日,二者相互重合。但是,从重合的第二天开始,每天的恒星时间就会比平均太阳时间要早4分钟。
还有第五种计时类型,我们称为“法令规定时间”,跟时区时间相比,它往往提前1个小时,这是为了调整每年白天较长季节的作息时间,通常是从春天到秋天,这样可以促使人们减少燃料使用量和用电量。在很多西欧国家,通常只在春季使用这一时间,具体地说,就是把春季开始时的半夜一点拨快一个小时到两点,到了秋季,再把钟表往回拨一个小时,这样就恢复成原来的时间了。在俄国,全年都会调整钟表的时间,也是为了减小发电厂的用电负荷。
说到这里,还有一个小插曲:俄国是从1917年开始使用法令规定时间的,并且一度曾把时间提前好几个小时。中间有几年一度中断过,后来,从1930年春天开始,政府又重新规定,继续使用法令规定时间,并把地区时间统一提前了一个小时。